Design, modelling and characterization of porous structures produced by metal additive manufacturing for application in temporary bone implants

Beatriz Rocha Antão Rodrigues

Key information

Authors:

Beatriz Rocha Antão Rodrigues (Beatriz Rocha Antão Rodrigues)

Supervisors:

Augusto Manuel Moura Moita de Deus (Augusto Manuel Moura Moita de Deus); Pedro Afonso Ferreira Nogueira (Pedro Afonso Ferreira Nogueira)

Published in

December 6, 2023

Abstract

Os ossos perdem a capacidade de regeneração com a idade, diminuindo a capacidade de auto-regeneração dos tecidos e aumentando o risco de fraturas. O campo de medicina ortopédica tem assistido a um aumento dos problemas de saúde relacionados com fracturas. Para facilitar a regeneração de fraturas, próteses e placas ortopédicas têm sido utilizadas. Materiais biodegradáveis e estruturas celulares têm sido estudados para produção de próteses temporárias que mimetizam o comportamento dos ossos. Tecnologias de fabrico aditivo são utilizadas para produzir materiais com estruturas celulares complexas, que de outra forma não seriam possíveis de produzir. A presente tese estuda dois tipos de células a serem implementadas em próteses biodegradáveis produzidas em ferro 99,8% puro por fusão seletiva por laser. O comportamento mecânico das células (Rhombitruncated Cuboctahedron (RTCO) e Truncated Octahedron (TO)) são analisados por flexão de três pontos através de ensaios experimentais e de análise de elementos finitos, nomeadamente pelo estudo da energia absorvida (Ea), rigidez (k) bem como força de reação (RF) vs. deslocamento (U). Foram efetuadas análises de validação computacional, comparação de propriedades mecânicas de diferentes células com diferentes densidades e análises de índices de desempenho. O modelo computacional representa corretamente o comportamento mecânico das amostras. As células RTCO apresentam rigidez e energia absorvida superiores do que as células TO quando têm a mesma densidade relativa. Com exceção das células com 5% de densidade relativa, todas as outras células são estáveis e adequadas para próteses. As life expectancy increases, the field of orthopaedics has seen a rise in demand in recent times. Bones lose their ability to regenerate due to diseases and cellular behaviour, which decreases the ability of self-regenerative tissues and increases the risk of fractures. To help regeneration of fractures, prostheses and plates have been used for decades, and have undergone continuous improvements over time. Recently, biodegradable materials and lattice structures have been evolving to be implemented in medical uses, such as temporary implants, that mimic the behaviour of bones. AM technologies are used to print these complex structures, that otherwise would be very difficult to produce. Lattice structures are made of a repetition of unit cells, and this study focuses on two types of unit cells (RTCO and TO) to be implemented in biodegradable prostheses made from 99.8% pure Iron and produced by SLM. The mechanical behaviour of plates made of these structures was evaluated through experimental 3PB and FEA. Energy absorption (Ea), stiffness (k), as well as reaction force (RF) vs. displacement (U) were studied. Computational validation analysis, comparison between the mechanical properties of different cells with different densities, bones and performance indexes analysis were conducted. The computational model accurately represents the mechanical behaviour of the samples. RTCO cells have higher k and Ea values than TO cells for the same relative density (ρ). Except for those with 5% ρ, all the other cells are stable and suitable for use in prostheses or plates, depending on the fracture being treated.